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SaRAH: Safety, Risk Analysis & Hydrogen

La missione del Gruppo SaRAH è lo sviluppo di processi sicuri e sostenibili per la produzione di energia.

Il gruppo si concentra su due aree di ricerca:

  1. Sicurezza industriale e analisi del rischio
  2. Produzione, stoccaggio e utilizzo di H2.

SICUREZZA INDUSTRIALE ANALISI DEL RISCHIO

Lo studio fondamentale dell’infiammabilità e esplosività di gas, liquidi, polveri combustibili e miscele ibride, viene svolto mediante approccio sia sperimentale che modellistico. È disponibile un laboratorio completamente attrezzato dove è possibile misurare la maggior parte dei parametri di infiammabilità e di esplosione.
Nel caso delle polveri, lo studio del comportamento di infiammabilità/esplosività viene completato indagando il comportamento termico attraverso analisi termogravimetriche e calorimetriche a scansione differenziale, nonché eseguendo caratterizzazione fisico-chimica delle particelle.
Nel caso di gas e miscele H2 e H2/CH4, vengono studiati gli effetti della turbolenza e di condizioni iniziali severe.
L’attività di modellazione consiste nello studio di meccanismi cinetici e simulazioni CFD di propagazione non stazionaria di fiamma, incendi ed esplosioni, con approcci Large Eddy Simulation (LES) e RANS. L’analisi del rischio di processi chimici complessi viene condotta mediante l’ausilio di simulazioni avanzate (CFD) delle conseguenze e l’applicazione di modelli di machine learning e intelligenza artificiale.

PRODUZIONE, STOCCAGGIO E UTILIZZO DI H2

Produzione di H2
Cyan Hydrogen
Cyan H2 viene prodotto mediante un processo innovativo (domanda di brevetto depositata) a partire da biocombustibili e dalla contemporanea valorizzazione della CO2. Il processo consente di produrre una corrente di H2 ad elevata purezza e un polimero che contiene il carbonio del biocombustibile utilizzato come materia prima.

Reforming catalitico di bio-alcoli
I processi di reforming di metanolo e etanolo hanno vantaggi significativi rispetto al reforming del metano. La temperatura di reazione è significativamente minore e i composti dello zolfo sono assenti. La reazione di reforming (endotermica) viene accoppiata con la parziale ossidazione (esotermica) in maniera da garantire la gestione autotermica del processo. Le attività sono le seguenti la preparazione (metodi di impregnazione o precipitazione) e la caratterizzazione dei catalizzatori (adsorbimento di N2, analisi termica, adsorbimento chimico), l’ ottimizzazione del processo, l’analisi cinetica e modellazione

Stoccaggio di H2

  • Lo stoccaggio di H2 in soluzioni acquose di formiato è un processo intrinsecamente sicuro perché l la presenza di acqua garantisce l’inertizzazione spontanea della fase gassosa rilasciata a causa della saturazione dell’ acqua. L’attività si basa sullo sviluppo di catalizzatori e di configurazioni di processo per garantire la ciclabilità e l’alta densità energetica.
  • Lo studio dello stoccaggio sotterraneo di H2 ah l’obiettivo di valutare l’interazione tra l’H2 ad alta pressione e temperatura e i materiali fluidi/solidi presenti nel sottosuolo.. I test vengono eseguiti in un laboratorio dotato di vessels in grado di sopportare alte pressioni (fino a 450 bar) e alte temperature.

Utilizzo di H2
La produzione di energia elettrica mediante l’utilizzo di H2 e biogas in celle a combustibile viene studiata in accoppiamento con sistemi di produzione di H2/biogas. Le attività svolte riguardano lo sviluppo e la caratterizzazione dei catalizzatori, la ottimizzazione dell’efficienza. L’attività viene svolta con approccio sia sperimentale che modellistico.

Laboratori presenti:

SaRAH laboratorio di alta pressione

Il laboratorio di alta pressione, gestito attraverso una collaborazione DICMaPI-STEMS/CNR, è dotato di apparecchiature per le misure standard dei parametri di infiammabilità/esplosione. Le principali apparecchiature sono illustrate in figura.

Inoltre, le polveri combustibili sono completamente caratterizzate (caratterizzazione termica, chimica e fisica) nel laboratorio di Chimica dei Materiali del DICMaPI e dell’Istituto STEMS/CNR. Nella figura seguente è riportato un esempio dei risultati della caratterizzazione.

Nel laboratorio di Alta Pressione sono disponibili due recipienti HPHT (410 bar @ 350°C) per testare lo stoccaggio di H2 in condizioni estreme e la sua interazione con fluidi/solidi nel sottosuolo. Il laboratorio è dotato di un complesso impianto per la gestione dell’alimentazione, del venting e del rilascio di H2 in condizioni di sicurezza.

SaRAH laboratorio di calcolo ad alte prestazioni

L’attività di modellazione viene svolta grazie a un server multiprocessore e a diversi software (illustrati in figura). In particolare, vengono utilizzati software per la simulazione della dinamica degli incendi, dei flussi reagenti (turbolenti), della cinetica dettagliata delle reazioni chimiche, dei reattori chimici (catalitici) e dell’analisi del rischio.

SaRAH Laboratorio sui combustibili e sulle celle a combustibile

In questo laboratorio è presente un reattore per testare la produzione di H2 (catalitico), dotato di analizzatore di composizione chimica (micro-GC, HPLC). La fase solida viene analizzata con un analizzatore FTIR, disponibile nel laboratorio di Chimica dei Materiali del DICMAPI. È inoltre disponibile una cella a combustibile per la valutazione dell’energia generata dall’alimentazione del flusso di prodotti provenienti dalla fase di produzione. Lo scopo principale è quello di verificare la possibilità di progettare un sistema autotermico integrato in cui il calore dissipato dalla cella a combustibile PEM possa essere utilizzato per riscaldare i reagenti in ingresso al reattore di produzione dell’idrogeno.

Pubblicazioni più rilevanti:

Principali progetti di ricerca finanziati:

  1. Progetto con ENI – UHS Microbiology Analysis of the role of microorganisms in souring and hydrogen removal during underground storage and identification of possible mitigation strategies with the use of metagenomics and esterifications in HPHT. Svolto in collaborazione con il Dipartimendo di Biologia. Budget complessivo 450k€; Importo DICMAPI: 200k€. Durata: 03/01/2022-14/12/2022

  2. STAR Plus 2020 Project – Chemo‐physical properties of protective systems for steel structures in fire – total budget 101800 €. Durata: 01/01/2022-31/12/2023

  3. Progetto con ENI – Consulenza Tecnica in relazione al Procedimento Penale n. 17157/2020R.G.N.R. pendente dinnanzi la Procura della Repubblica di Firenze. Importo: 60k€. Durata: Giugno 2022-Dicembre

  4. Progetto con Ricerca sul Sistema Energetico RSE SpA – Analisi delle conseguenze di incidenti associati allo stoccaggio geologico di idrogeno. Importo: 30 k€. Durata; Giugno 2022-Giugno 2024

  5. Attività di consulenza per tests di infiammabilità/esplosività di sostanze pericolose con diverse aziende (Es.Novartis: DSM Capua SpA, AVIO S.p.A, POLITO, ICIMEN2, EVERKEM, dott. GALLINA s.r.l, AGRIGES, Capua Bioservice…)

     

  6. Progetto con IMAST S.C.ar.L. Distretto Tecnologico sull’Ingegneria dei Materiali polimerici e composite e strutture. Modello per la predizione dei profili di temperatura nei componenti interni di cabina preposti all’isolamento termico e acustico. Importo: 15k€. Durata 18 mesi: 2019-2020

Settore/i ERC (European Research Cuncil):

  1. PE8_2
    Chemical engineering, technical chemistry
  2. PE8_6
    Energy processes engineering
  3. PE8_9
    Production technology, process engineering
  4. PE4_10
    Heterogeneous catalysis
  5. PE4_12
    Chemical reactions: mechanisms, dynamics, kinetics and catalytic reactions

Parole chiave:

Analisi del rischio
Esplosione di polveri
Infiammabilità
Esplosione
Modellazione CFD
Propagazione non stazionaria di fiamma
Steam reforming; stoccaggio di H2
Decarbonizzazione
Sicurezza industriale

Docenti e ricercatori:

Almerinda Di Benedetto

Giuseppina Luciani

Maria Turco

Danilo Russo

Assegnisti di Ricerca e Dottorandi:

  1. Maria Portarapillo – Assegnista di ricerca
  2. Marcella Calabrese – Dottoranda
  3. Alessandra Di Nardo – Dottoranda

Altri componenti non afferenti all'Ateneo:

Gianluca Landi – Ricercatore STEMS/CNR
Roberto Sanchirico – Ricercatore STEMS/CNR

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